第七章光电式与光导式传感器.

光谱光波：波长为10—106nm的电磁波可见光：波长380—780nm紫外线：波长10—380nm，波长300—380nm称为近紫外线波长200—300nm称为远紫外线波长10—200nm称为极远紫外线，红外线：波长780—106nm波长3μm（即3000nm）以下的称近红外线波长超过3μm的红外线称为远红外线。第七章光电式与光导式传感器可见光谱在电磁波谱中的位置光电传感器的构成：光源、光学通路、光电元件。应用：1、光量变化的非电量；2、能转换成光量变化的其他非电量。特点：非接触、响应快、性能可靠。被测量的变化光信号的变化电信号的变化光电式传感器的应用可归纳为四种基本形式，即辐射式(直射式)、吸收式、遮光式、反射式。透射式是指被测物体放在光路中，恒光源发出的光能量穿过被测物，部份被吸收后，透射光投射到光电元件上，因此又称之为吸收式遮光式是指当光源发出的光通量经被测物光遮其中一部份，使投射到光电元件上的光通量改变，改变的程度与被测物体在光路位置有关。反射式是指恒光源发出的光投射到被测物上，再从被测物体表面反射后投射到光电元件上光照射在物体上可以看成是一连串的具有一定能量的光子轰击这些物体的表面；光子与物体之间的联接体是电子。所谓光电效应是指物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的能量而产生的电效应。光电效应可分成外光电效应和内光电效应两类一、外光电效应在光的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象叫做外光电效应。第一节光电效应与光电器件02021AmhE爱因斯坦光电效应方程：1.光电子能否产生，取决于光子的能量是否大于该物体的表面电子逸出功A0。各种不同的材料具有不同的逸出功A，因此对某特定材料而言，将有一个频率限νo(或波长限λo)，称为“红限”。当入射光的频率低于νo时(或波长大于λo)，不论入射光有多强，也不能激发电子；当入射频率高于νo时，不管它多么微弱也会使被照射的物体激发电子，光越强则激发出的电子数目越多。红限波长可用下式求得：2.当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强成正比。即光强愈大，意味着入射光子数目越多，逸出的电子数也就越多。3.光电子逸出物体表面具有初始动能mv02/2，因此外光电效应器件（如光电管）即使没有加阳极电压，也会有光电子产生。为了使光电流为零，必须加负的截止电压，而且截止电压与入射光的频率成正比。基于外光电效应的光电器件有：光电管、光电倍增管二、内光电效应当光照射在物体上，使物体的电阻率ρ发生变化，或产生光生电动势的现象叫做内光电效应，它多发生于半导体内。分为光电导效应和光生伏特效应1．光电导效应在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过度到自由状态，而引起材料电导率的变化。当光照射到光电导体上时，若这个光电导体为本征半导体材料，且光辐射能量又足够强,光电材料价带上的电子将被激发到导带上去，使光导体的电导率变大。自由电子所占能带不存在电子所占能带价电子所占能带禁带导带价带Eg电子能量Eh≧EggcEhc过程：当光照射到半导体材料上时，价带中的电子受到能量大于或等于禁带宽度的光子轰击，并使其由价带越过禁带跃入导带，如图，使材料中导带内的电子和价带内的空穴浓度增加，从而使电导率变大。材料的光导性能决定于禁带宽度，对于一种光电导材料，总存在一个照射光波长限λ0，只有波长小于λ0的光照射在光电导体上，才能产生电子能级间的跃进，从而使光电导体的电导率增加。式中ν、λ分别为入射光的频率和波长。Eg12390hch为了实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光电导材料的禁带宽度Eg，即：基于这种效应的光电器件有光敏电阻。２．光生伏特效应：在光作用下能使物体产生一定方向电动势的现象。基于该效应的器件有光电池和光敏二极管、三极管。①势垒效应（结光电效应）光照射PN结时，若h≧Eg，使价带中的电子跃迁到导带，而产生电子空穴对，在阻挡层内电场的作用下，电子偏向N区外侧，空穴偏向P区外侧，使P区带正电，N区带负电，形成光生电动势。PN②侧向光电效应当半导体光电器件受光照不均匀时，光照部分产生电子空穴对，载流子浓度比未受光照部分的大，出现了载流子浓度梯度，引起载流子扩散，如果电子比空穴扩散得快，导致光照部分带正电，未照部分带负电，从而产生电动势，即为侧向光电效应光敏电阻光敏二极管光敏三极管光电池光电耦合器光电管光电倍增管光敏晶闸管光电传感器的外观光电池一、光电管及其基本特性１．结构与工作原理三、外光电效应器件——光电管和光电倍增管２．主要性能（1）光电管的伏安特性在一定的光照射下，对光电器件的阴极所加电压与阳极所产生的电流之间的关系称为光电管的伏安特性真空光电管充气光电管0.1lm负载线0.05lm0.02lmO40801201234阳极电流/A阳极电压/V(a)负载线0208010203040阳极电流/A阳极电压/V60100(b)0.025lm0.02lm0.015lm0.01lm0.05lm10M4M4010M5M1MO光通量:光源每秒钟所发出光的量之总和，用于表示灯管射出的光的量，即发光量。通用符号ф表示，单位为流明(Lm)发光强度：光源在某一给定方向的单位立体角内发射的光通量称为光源在该方向的发光强度，简称光强，常用I来表示，单位为坎德拉（cd）。光照度:光照度是光源照射在被照物体单位面积上的光通量。常用E来表示，单位为勒克斯(lx)或流明平方米(lm/m2)1勒克斯(lx)相当于每平方米被照面上光通量为1流明(lm)时的照度。夏季阳光强烈的中午地面照度约5000lx，冬天晴天时地面照度约2000lx，晴朗的月夜地面照度约0.2lx（2）光电管的光照特性当光电管的阴极和阳极之间所加的电压一定时，光通量与光电流之间的关系。光照特性曲线的斜率称为光电管的灵敏度图7-5光电管的光照特性255075100200.51.52.0光通量/1mIA/μA1.02.511-银氧铯阴极2-锑铯阴极(3)光电管的光谱特性一般光电阴极材料不同的光电管有不同的红限频率，因此它们可用于不同的光谱范围。另外，同一光电管对于不同频率的光的灵敏度不同。以GD-4型光电管为例，阴极是用锑铯材料制成，其红限λc=700nm，对可见光范围的入射光灵敏度比较高。适用于白光光源，被应用于各种光电式自动检测仪表中。对红外光源，常用银氧铯阴极，构成红外探测器。对紫外光源，常用锑铯阴极和镁镉阴极。型号光谱响应范围(A。)最佳灵敏度波长(A。)最小阴极灵敏度(uA/lm)阳极工作电压(V)暗电流(A)环境温度(℃)GD-52000–60003800–420030303×10-115-35GD-66000–110007000–900010308×10-115-35GD-73000–85004500451008×10-1140国产光电管的技术参数由阴极、次阴极（倍增电极）、阳极组成阴极由半导体光电材料锑铯做成，次阴极是在镍或铜-铍的衬底上涂上锑铯材料形成。次阴极可达30级。通常为12~14级。使用时在各个倍增电极上均加上电压，阴极电位最低，以后依次升高，阳极最高。相邻两个倍增电极之间有电位差，因此存在加速电场。2、光电倍增管及其基本特性由于真空光电管的灵敏度低，因此人们研制了具有放大光电流能力的光电倍增管。光电倍增管主要由光阴极K、倍增极D和阳极A组成，并根据要求采用不同性能的玻璃壳进行真空封装。K当有光子入射到光阴极K上，只要光子的能量大于光阴极材料的脱出功，就会有电子从阴极的表面逸出而成为光电子。在K和D1之间的电场作用下，光电子被加速后轰击第一倍增极D1，从而使D1产生二次电子发射，每一个电子的轰击约可产生3～5个二次电子，这样就实现了电子数目的放大。D1产生的二次电子被D2和D1之间的电场加速后轰击D2，……。这样的过程一直持续到最后一级倍增极Dn，每经过一级倍增极，电子数目便被放大一次，倍增极的数目有8～13个，最后一级倍增极Dn发射的二次电子被阳极A收集。若倍增电极有n级，各级的倍增率为б，则光电倍增管的倍增率可以认为是бn，因此，光电倍增管有极高的灵敏度。K如果n个倍增电极二次发射电子的数目相同,则Ｍ＝δin，因此阳极电流为Ｉ＝i·δin,光电倍增管的电流放大倍数为：/niiIM与所加的电压有关。一般阳极和阴极之间的电压为1000~2500V，两个相邻的倍增电极的电位差为50~100V。主要参数：（1）倍增系数M：等于各个倍增电极的2次发射电子数δi的乘积。一个光子在阴极能够打出的平均电子数叫做光电阴极的灵敏度。一个光子在阳极上产生的平均电子数叫光电倍增管的总灵敏度.(2)光电阴极灵敏度和光电管的总灵敏度最大灵敏度可达10A/lm不能受强光照射。图7-7光电倍增管的特性曲线255075100125106极间电压/V倍增系数M105104103（3）暗电流和本底脉冲由于环境温度、热辐射和其它因素的影响，即使没有光信号输入，加上电压后阳极仍有电流，这种电流称为暗电流。在其受人眼看不到的宇宙射线的照射后，光电倍增管会有电流信号输出—本底脉冲。(4)光电倍增管的光谱特性与相同材料的光电管的相似型号光谱响应范围(A。)倍增极数阴极灵敏度(uA/lm)阳极工作电压(V)暗电流(A)环境温度(℃)GDB-5253000–650011409008×10-9-40-40GDB-2513000–650013309006×10-9-50-50GDB-2203000–65008409008×10-9-40-50GDB-4103000–7500113010001×10-7-80-60GDB-4233000–8500116013005×10-8-40-40GDB-1252000–65009407502×10-9-40-50国产光电倍增管的技术参数四、内光电效应器件——光敏电阻、光电池、光敏二极管与光敏三极管1光敏电阻（1）结构和原理光敏电阻又称光导管，为纯电阻元件，其工作原理是基于光电导效应，其阻值随光照增强而减小梳状电极光电导透光窗口外壳绝缘基体玻璃支柱引脚AAA电极半导体玻璃底板RLIRGEE图7-7光敏电阻的结构与电路连接如果把光敏电阻连接到外电路中，在外加电压的作用下，用光照射就能改变电路中电流的大小：暗电流(越小越好)光敏电阻演示当光敏电阻受到光照时，光生电子—空穴对增加，阻值减小，电流增大。当光照射到光电导体上时，若光电导体为本征半导体材料，而且光辐射能量又足够强，光导材料价带上的电子将激发到导带上去，从而使导带的电子和价带的空穴增加，致使光导体的电导率变大。光敏电阻具有很高的灵敏度、很好的光谱特性、很长的使用寿命、高度的稳定性能、小的体积及工艺简单，故应用广泛。2.光敏电阻的特性（1）暗电阻、亮电阻、与光电流光敏电阻在未受到光照时的阻值称为暗电阻，此时流过的电流为暗电流。在受到光照时的电阻称为亮电阻，此时的电流称为亮电流。亮电流与暗电流之差为光电流。光敏电阻的暗电阻越大，而亮电阻越小则性能越好。也就是说，暗电流越小，光电流越大，这样的光敏电阻的灵敏度越高。实用的光敏电阻的暗电阻往往超过1MΩ,甚至高达100MΩ，而亮电阻则在几kΩ以下，暗电阻与亮电阻之比在102～106之间，可见光敏电阻的灵敏度很高。(4)伏安特性所加的电压越高，光电流越大，而且没有饱和的现象。在给定的电压下，光电流的数值将随光照增强而增大0102030405050100150200250I/μAU/V图7-8光敏电阻的伏安特性（3）光敏电阻的光照特性用于描述光电流与光照强度之间的关系。多数是非线性的。不宜做线性测量元件，一般用做开关式的光电转换器。0.050.100.150.200.2500.20.40.60.81.0光通量/lm光电流/mA图7-9光敏电阻的光照特性（3）光敏电阻的光谱特性硫化镉的峰值在可见光区域，硫化铅的峰值在红外区域。故选用时要把元件和光源结合起来考虑。图7-10光敏电阻的光谱特性0500100015002000250020406080100硫化镉硫化铊硫化铅入射光波长/